CN111238408A - 一种快速测量平行平板平行度的装置和方法 - Google Patents

一种快速测量平行平板平行度的装置和方法 Download PDF

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何志平
张亮
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Abstract

本发明公开了一种快速测量平行平板平行度的装置和方法，该发明基于光束经过非平行的光学平板时会产生微小的角度偏转的原理，通过测量光束偏角大小来得到平行平板的角度偏差。该装置由准直激光光源、待检平行平板、平行光管、面阵CCD组件组成，准直激光光源经过平行光管被平行光管焦面的面阵CCD接收，记录插入待检平行平板前后面阵CCD上的光斑位置及偏移方向来快速准确测量平行平板平行度及楔角方向。本发明装置结构简单、成本低廉、调节方法简单，适用于平行平板、光楔等光学器件的批量生产及测量。

Description

一种快速测量平行平板平行度的装置和方法
技术领域
本发明涉及平行平板参数的测量及标定，具体涉及一种快速测量平行平板平行度的装置及方法。
背景技术
光学平行平板指的是光学平板的两面都被精密抛光，它通常作为分光镜或窗口等透过型元件，或被用作全反射镜或光学测量中的基准平面现象。而对于高精度的平面性和平行性的光学平行平板一般称作平行平晶，平行平晶作为标准件一般用于检定千分尺、杠杆千分尺、杠杆卡规和千分尺规等量具测量面的不平度和两相对测量面的不平行度。而存在微小角度偏差的光学平行平板称作光楔，光楔拥有改变光束的传播方向的性质，其应用十分广泛，例如双光楔扫描、经纬仪的测微等。在激光相关设备中，接收与发射光轴之间的微小差异一般采用双光楔来进行调节，确保发射与接收的光轴平行性；双光楔还经常应用于激光扫描装置中，如激光切割、激光测距等光学系统。
不论是平行平晶还是光楔的大批量加工过程中，需要快速准确的测量出平行平板的楔角，目前测量方法是测角法及其相关的改进方法，如专利号 CN201810961946提供了一种透明光楔角度的检测方法与装置，利用棱镜分光和两个CCD，通过测量光楔前后光斑大小来计算得出楔角，该方法测试过程中需要进行转台的调节，引入了相关的读数误差，且过程较为繁琐重复，不利于人员操作和效率提高。该方法用到的器件较多，且存在因CCD空间位置偏心导致光斑为椭圆的情况，测量精度有待商榷。
本发明从便于检测和操作的角度出发，提出了一种快速测量平行平板平行度的装置及方法，通过将平行平板插入在光源和平行光管之间测试前后光斑坐标变化，即可得出待测平行平板的楔角与其主截面的空间位置，从而准确快速测量平行平板的楔角度和楔角方向。该方法在实际的生产加工和检测过程中，可以满足便捷和易于操作性的检测要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速测量平行平板平行度的装置及方法，主要为了满足实际的大规模生产加工过程中，对平行平板楔检测方式的便捷和易于操作性的检测要求。
一种快速测量平行平板平行度的装置如附图1所示，它包括准直激光光源 1、带旋转结构的待测平行平板2、平行光管3及面阵CCD组件4，其特征在于：准直激光光源1产生准直激光光束，经过平行光管3会聚后被平行光管3 焦面处的面阵CCD组件4探测，再将带旋转结构的待测平行平板2插入准直激光光源1和平行光管3光路中间，记录面阵CCD组件4探测到的光斑坐标变化，通过计算坐标变化来准确测量带旋转结构的待测平行平板2的楔角；通过旋转带旋转结构的待测平行平板2来观察光斑坐标变化，从而获取平行平板的楔角方向。
本发明提供了一种快速测量平行平板平行度的装置和方法，其具体实施步骤如下：
1)准直激光光源1发射平行光被平行光管3接收并成像在其焦面处，将面阵CCD组件4放置在平行光管3焦面处，平行光管3的焦距f为已知量，记录准直激光光源1的光斑质心坐标(X1，Y1)。
2)插入带旋转结构的待测平行平板2，调整其空间位置使得准直激光光源1基本垂直入射至带旋转结构的待测平行平板2。出射光经过带旋转结构的待测平行平板2后发生偏折，记录此时面阵CCD组件4上光斑质心坐标(X2， Y2)，这出射光与入射光之间的偏向角为
Figure BDA0002394545270000031
Figure BDA0002394545270000032
满足以下公式：
Figure BDA0002394545270000033
3)已知带旋转结构的待测平行平板2的折射率为n，根据几何光学可知，偏向角
Figure BDA0002394545270000034
与带旋转结构的待测平行平板2楔角α满足：
Figure BDA0002394545270000035
通过光斑前后变化情况计算得到带旋转结构的待测平行平板2的楔角α。
4)旋转带旋转结构的待测平行平板2，观察光斑质心坐标(X2，Y2)的改变。当光斑质心满足Y2-Y1＝0时，此时为带旋转结构的待测平行平板2楔角的方向，即带旋转结构的待测平行平板2的主截面呈水平方向；当光斑质心满足 X2-X1＝0时，此时带旋转结构的待测平行平板2楔角的方向呈竖直方向。
本发明方法的具体原理如下:
一般的平行平板都是顶角很小(一般小于1/10弧度)的棱镜，就叫作光楔,如附图2所示。假设i1和α1是入射光进入平行平板前后的入射角度和折射角度， i2和α2是出射光射出平行平板前后的入射角度和折射角度。n为平行平板的折射率，α为平行平板的楔角，则
Figure BDA0002394545270000036
为光楔入射光与出射光的偏向角。
利用菲涅耳公式可知:
sin i1＝n sinα1
nsin i2＝sinα2
根据角度关系可以得到
Figure BDA0002394545270000037
α＝α1+i2
Figure BDA0002394545270000041
根据以上关系，可以得到平行平板的楔角α与光束的偏向角
Figure BDA0002394545270000042
满足：
Figure BDA0002394545270000043
其中一般光楔使用时,i1、α1、i2、α2均接近于0度，则方程可以简化为：
Figure BDA0002394545270000044
即当光线垂直或接近垂直射入光楔时，当光楔的楔角很小时，光束的偏向角与入射角无关，可以通过光束的偏向角
Figure BDA0002394545270000045
求解平行平板的楔角α。
本发明提供一种快速测量平行平板平行度的装置和方法，该方法还可以通过改变平行光管焦距来获得更高的测量精度。该发明特别适用于平行平板、光楔等光学元件的高精度测量领域。该发明基于光束经过非平行的光学平片时会产生微小的角度偏转的原理，通过测量光束偏角大小来得到平行平板的角度偏差。本发明装置结构简单、成本低廉、调节方法简单，适用于平行平板、光楔等光学器件的批量生产及测量。
本发明的目的是提供一种快速测量平行平板平行度的装置和方法，可满足平行平板、小角度光楔的平行度快速检测要求，该发明的特点主要体现在：
1)本发明装置结构简单，成本低廉；
2)可满足不同精度轴系的检测要求，同时可以根据测量精度要求来定制测试系统；
3)本发明测试方法简单快速，适用于平行平板、光楔等光学器件的批量生产及测量。
附图说明
图1为快速测量平行平板平行度的装置。
图2为平行光经过平行平板时的方向变化图。
图3为实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1、准直激光光源1：准直激光光源1由单模光纤，准直透镜及光纤激光器组成，其中光纤采用Thorlabs公司型号为SM600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-900nm；光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径 125±1um，截至波长为550±50nm；准直透镜采用Thorlabs公司型号为 F810FC-635的准直镜，准直镜焦距为35.4mm，使用波长635nm；激光器采用 Thorlabs公司型号为LPS-PM635-FC的激光二极管，激光波长为635nm；
2、带旋转结构的待测平行平板2：带旋转结构的待测平行平板2由旋转电机及平行平板组成,旋转电机采用Thorlabs的产品，型号为PRM1Z8。其主要性能参数：可360°旋转；角度分辨率±0.1°；角度重复精度±0.3°，最大旋转速度25°/S；平行平板采用普通的K9光学平片，其两个透光面的面型精度优于λ/20，两个透光面的平行度优于10"；
3、平行光管3：采用定制的反射式平行光管，其主要性能参数：平行光管焦距为5m，反射抛物面面型优于λ/20@632.8nm；
4、面阵CCD组件4：采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200。
本发明方法的示意图如附图3所示，具体情况描述如下：
该发明装置包括准直激光光源1、带旋转结构的待测平行平板2、平行光管3及面阵CCD组件4，其特征在于：准直激光光源1由单模光纤1-1，准直透镜1-2及光纤激光器1-3组成，准直激光光源1产生准直激光光束，经过平行光管3会聚后被平行光管3焦面处的面阵CCD组件4探测，再将带旋转结构的待测平行平板2插入准直激光光源1和平行光管3光路中间，记录面阵 CCD组件4探测到的光斑坐标变化，通过计算坐标变化来准确测量带旋转结构的带旋转结构的待测平行平板2的楔角；通过旋转带旋转结构的待测平行平板2来观察光斑坐标变化，从而获取平行平板的楔角方向。
本发明提供了一种快速测量平行平板平行度的装置和方法，其具体实施步骤如下：
1)开启准直激光光源1中的激光器1-1,通过单模光纤1-2将激光引入至准直透镜1-3准直,将面阵CCD组件4放置在平行光管3焦面处,准直光进入平行光管3并在焦面处面阵CCD组件4上成像，通过调节单模光纤1-2的出射光端面与耦合镜1-3的相对位置，使得准直光在面阵CCD组件4上成像点最小，将单模光纤1-2与耦合镜1-3固定为一个整体，完成准直激光光源1的调节；
2)此时准直激光光源1产生635nm的平行光被平行光管3接收并成像在其焦面处的面阵CCD组件4上，平行光管3的焦距为5m，记录准直激光光源 1的光斑质心坐标(X1，Y1)um。
3)插入带旋转结构的待测平行平板2，调整其空间位置使得准直激光光源 1基本垂直入射至带旋转结构的待测平行平板2。出射光经过带旋转结构的待测平行平板2后发生偏折，记录此时面阵CCD组件4上光斑质心坐标(X2， Y2)um，这出射光与入射光之间的偏向角为
Figure BDA0002394545270000061
Figure BDA0002394545270000062
满足以下公式：
Figure BDA0002394545270000063
4)已知平行平板材料为K9,其折射率在635nm处为1.514586，根据几何光学可知，偏向角
Figure BDA0002394545270000071
与带旋转结构的待测平行平板2楔角α满足：
Figure BDA0002394545270000072
通过光斑前后变化情况计算得到带旋转结构的待测平行平板2的楔角α。
5)旋转带旋转结构的待测平行平板2，观察光斑质心坐标(X2，Y2)的改变。当光斑质心满足Y2-Y1＝0时，此时为带旋转结构的待测平行平板2楔角的方向，即带旋转结构的待测平行平板2的主截面呈水平方向；当光斑质心满足X2-X1＝0时，此时带旋转结构的待测平行平板2楔角的方向呈竖直方向。

Claims (5)

1.一种快速测量平行平板平行度的装置，包括准直激光光源(1)、带旋转结构的待测平行平板(2)、平行光管(3)、和面阵CCD组件(4)，其特征在于：
准直激光光源(1)产生准直激光光束，经过平行光管(3)会聚后被平行光管(3)焦面处的面阵CCD组件(4)探测，所述的平行光管(3)与面阵CCD组件(4)需配合使用，面阵CCD组件(4)的光敏面处于平行光管(3)的焦面位置，将带旋转结构的待测平行平板(2)插入准直激光光源(1)和平行光管(3)光路中间，记录面阵CCD组件(4)探测到的光斑坐标变化，通过计算坐标变化来准确测量带旋转结构的待测平行平板(2)的楔角；通过旋转带旋转结构的待测平行平板(2)来观察光斑坐标变化，从而获取平行平板的楔角方向。
2.根据权利要求1所述的一种快速测量平行平板平行度的装置，其特征在于：所述的准直激光光源(1)的波长需要与带旋转结构的待测平行平板(2)透射光波长范围、面阵CCD组件(4)的探测波长范围相适应。
3.根据权利要求1所述的一种快速测量平行平板平行度的装置，其特征在于：所述的平行光管(3)的面形偏差RMS值小于λ/10。
4.根据权利要求1所述的一种快速测量平行平板平行度的装置，其特征在于：面阵CCD组件(4)单像素尺寸与平行光管(3)的焦距比值需满足测试精度要求。
5.一种基于权利要求1所述一种快速测量平行平板平行度的装置的平行度测量方法，其特征包括以下步骤：
1)准直激光光源(1)发射平行光被平行光管(3)接收并成像在其焦面处，将面阵CCD组件(4)放置在平行光管(3)焦面处，平行光管(3)的焦距f为已知量，记录准直激光光源(1)的光斑质心坐标(X1，Y1)；
2)插入带旋转结构的待测平行平板(2)，调整其空间位置使得准直激光光源(1)基本垂直入射至带旋转结构的待测平行平板(2)，出射光经过带旋转结构的待测平行平板(2)后发生偏折，记录此时面阵CCD组件(4)上光斑质心坐标(X2，Y2)，这出射光与入射光之间的偏向角为
Figure FDA0002394545260000021
Figure FDA0002394545260000022
满足以下公式：
Figure FDA0002394545260000023
3)已知带旋转结构的待测平行平板(2)的折射率为n，根据几何光学可知，偏向角
Figure FDA0002394545260000024
与带旋转结构的待测平行平板(2)楔角α满足以下公式：
Figure FDA0002394545260000025
通过光斑前后变化情况计算得到带旋转结构的待测平行平板(2)的楔角α；
4)旋转带旋转结构的待测平行平板(2)，观察光斑质心坐标(X2，Y2)的改变。当光斑质心满足Y2-Y1＝0时，此时为带旋转结构的待测平行平板(2)楔角的方向，即带旋转结构的待测平行平板(2)的主截面呈水平方向；当光斑质心满足X2-X1＝0时，此时带旋转结构的待测平行平板(2)楔角的方向呈竖直方向。
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